Силовые MOSFET

Выходные характеристики силовых MOSFET показаны на рис 1.8а.

Закрытое состояние при прямом напряжении

При приложении положительного напряжения затвор-сток и затвор-исток V_GS, меньшего, чем пороговое напряжение V_GS(th), между стоком и истоком будет протекать только очень малый ток I_DSS при нулевом напряжении на затворе. I_DSS будет расти очень медленно с ростом V_DS. По достижении определенного установленного значения напряжения сток-исток V_DSS, происходит лавинный пробой перехода р⁺ перехода р⁺ ячейка/n^- дрейфовая зона/n⁺ эпитаксиальный слой (напряжение пробоя V_(BR)DSS).

Рис. 1.8
а) выходная характеристика силовых MOSFET (n-канальных обогащенных)
b) переходная характеристика I_D = f (V_GS)

Физически V_(BR)DSS почти всегда эквивалентно напряжению пробоя V_CER паразитного биполярного n-p-n - транзистора в MOSFET, созданного последовательностью слоев: n⁺ истоковая зона/ n^- дрейфовая зона/ n⁺ эпитаксиальный слой (коллектор), см. рис.1.3.

Увеличенный ток, созданный лавинным пробоем диода коллектор-база, может привести к разрушению MOSFET, так же быстро, как и включается биполярный транзистор. Однако база и эмиттер практически закорочены металлизацией истока; обе зоны только разделяются боковым сопротивлением р⁺ области.

Некоторые структурные улучшения, такие как малая ячейка MOSFET, однородное расположение ячеек, низкое расположение р⁺ области, оптимизация структурных границ и высокооднородные технологические операции могут содействовать очень малому току лавинного пробоя ячейки современного MOSFET, поэтому биполярный транзистор не будет включаться в случае строгого выполнения определенных действий. Поэтому может быть определена возможная лавинная энергия ЕА для одиночного импульса или периодической нагрузки (ограничена максимальной температурой кристалла), см. п. 2.2.1. Так как для нескольких параллельных MOSFET кристаллов не может быть гарантирована абсолютная идентичность параметров, то максимальное значение ЕА применимо только для одного кристалла.

Включенное состояние

Прямое включенное состояние при положительном напряжении сток-исток V_DS и прямой ток I_D могут быть разделены на две характерных области (рис.1.8, первый квадрант).

Отсечка или активный участок

При напряжении затвор-исток VDS, медленно достигающем порогового напряжения V_GS(th), токовое насыщение будет причиной значительного падения напряжения на канале (горизонтальная область на выходной характеристике). Ток стока I_D контролируется напряжением V_GS. Переходной режим показан на рис 1.8b, и называется крутизна характеристики прямой передачи g_fs:

g_fs = dI_D/dV_GS = I_D/(V_GS - V_GS(th)).

Крутизна характеристики прямой передачи возрастает пропорционально току стока I_D и напряжению сток-исток V_DS, а падает с повышение температуры кристалла. При допустимых условиях работы для силовых модулей с несколькими MOSFET кристаллами, область отсечки пересекается только во время включения или выключения. С другой стороны, постоянная работа в области отсечки чаще всего запрещается производителем, так как V_GS(th) будет падать при росте температуры и, следовательно, температурная нестабильность между одиночными кристаллами может возникнуть в результате минимальных отклонений при производстве.

Линейный участок

Линейный участок, который также называется включенным состоянием при переключениях, можно получить так же, как и I_D, с помощью внешней цепи. Характер изменения кривой во включенном состоянии можно характеризовать зависимостью напряжения сток-исток V_DS и тока стока I_D от сопротивления во включенном состоянии R_DS(on). Следовательно, прямое напряжение V_DS может быть определено следующим уравнением, упомянутым в части 1.2

V_DS(on) = I_D · R_DS(on)

R_DS(on) зависит от напряжения затвор-исток V_GS и от температуры кристалла. R_DS(on) практически удваивается с изменением температуры MOSFET от 25°С до 125°С (см. часть 2.6)

Работа при обратном напряжении

При обратном напряжении (третий квадрант) характеристика MOSFET эквивалентна диодной при V_GS < V_GS(th) (продолжение кривой на рис 1.8а). Это происходит из-за паразитного диода в MOSFET; поведение кривой MOSFET при закрытом канале контролируется напряжением включенного состояния p-n перехода коллектор-база или p-n перехода сток-исток соответственно («инверсный диод», биполярный ток).

Рис. 1.9. Работа при обратном напряжении силового MOSFET
а) закрытый канал (биполярный ток);
b) открытый канал и малое отрицательное напряжение V_DS (полевой ток);
с) открытый канал и большое отрицательное напряжение V_DS (комбинированный ток).

Биполярный обратный диод используется для уменьшения значения тока специально для MOSFET. На практике, однако, инверсные диоды:

• вызывают относительно высокие потери мощности в открытом состоянии, которые должны быть рассеяны вместе с потерями мощности MOSFET;
• ограничивают применения MOSFET, как «жесткого ключа» (см. часть I), из-за своего неблагоприятного режима выключения.

Как показано на рис.1.9b, проводимость MOSFET-канала в основном контролируется даже при отрицательном напряжении сток-исток, если приложено напряжение затвор-исток, превышающее пороговое значение. Если напряжение затвор-исток ограничено внешними цепями значением более низким, чем пороговое напряжение обратного диода, например установленным параллельно диодом Шоттки, обратный ток будет протекать от стока к истоку как полевой поток электронов (ток основных носителей). Тогда выключение соответствует режиму выключения MOSFET. Обратный ток зависит от V_DS и V_GS (разрыв кривой на рис.1.8а).

Работа при комбинированном токе в соответствии с рис.1.9а (штриховая линия на рис. 1.8а) возможна, если канал открыт, и подсоединен проводящий обратный биполярный диод (напряжение сток-исток выше, чем пороговое напряжение диода). Это происходит при пониженном напряжении включения по сравнению с просто параллельным диодом и MOSFET, так как инжектированные носители заряда будут также рассеиваться в боковой части, тем самым, увеличивая проводимость MOSFET.

Кроме того, за последние несколько лет кристаллы MOSFET с быстрыми обратными диодами разработаны разными производителями (например FREDFET). Все время при обратном напряжении оптимизировано в FREDFED-кристаллах селективной диффузией тяжелых металлов в n^- -дрейфовую область, подобно быстрым диодам.

<-- Предыдущая страница

Оглавление

Следующая страница -->